1、工程技术人员基本理论知识培训课件工程技术人员基本理论知识培训WCDMA基本理论知识室内覆盖工程建设原则武汉虹信通信技术有限责任公司工程服务部3G主要技术和比较1. 第三代移动通信的提出 IMT-2000是第三代移动通信系统（3G）的统称 第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提 出，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，工作的频段在2000MHz，且最高业务速率为2000Kbps，故于1996年正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000） 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，能
2、实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统1985年提出FPLMTS Future Public Land Mobile Telecommunications System 1996年正式更名为IMT-2000 International Mobile Telecommunications欧洲称UMTS Universal Mobile Telecommunication Systems2. IMT-2000的目标、要求 全球统一频段、统一标准、全球无缝覆盖 高频谱效率 高服务质量，高保密性能 提供多媒体业务，速度最高
3、到2Mb/s室内环境至少2Mbit/s室内外步行环境至少384kbit/s室外车辆运动中至少144kbit/s卫星移动环境至少9.6kbit/s 易于第二代系统的过渡、演进 终端价格低3. 3G主要特点 支持移动多媒体业务 宽带CDMA技术 高频谱效率 FDMA/TDMA/CDMA 从电路交换到分组交换高保密性 全球范围无缝漫游系统 微蜂窝结构4. RTT技术提案ITU-R第8研究组的TG8/1任务组负责推进IMT-2000无线电传输技术RTT的评估、融合工作。至1998年9月，RTT提案包括对MSS（移动卫星业务）在内多达16个，它们基本来自IMT-2000的16个RTT评估组成员，包括：(
4、1) UTRA WCDMA（欧洲）(2) DECT（欧洲）(3) cdma2000（美国）(4) UWC-136（美国）(5) WIMS WCDMA（美国）(6) WCDMA/NA（美国）(7) WCDMA（日本）(8) TD-SCDMA（中国）(9) Global CDMA（同步）（韩国）(10) Global CDMA（异步）（韩国）(11) LEO卫星系统SAT-CDMA(12) ESA的宽带卫星系统SW-CDMA(13) 混合宽带CDMA/TDMA卫星系统SW-CTDMA(14) ICO全球通信公司的ICO RTT(15) INMARSAT的卫星系统Horizons(16) Iridi
5、um LLC公司的卫星系统INX其中前10种为IMT-2000地面系统RTT提案，后6种RTT反映了将MSS（卫星移动通信业务）纳入IMT-2000的努力。提案充分反映了很多国家对IMT-2000未来制式确定的关心与力争施加有效影响的基本愿望。但从市场基础、后向兼容及总体特征看，欧洲ETSI的UTRA WCDMA及美国cdma2000这两个提案，最具竞争力。 WCDMA由欧洲标准化组织3GPP(3rd Generation Partnership Project)所制定，受全球标准化组织、设备制造商、器件供应商、运营商的广泛支持，将成为未来3G的主流体制。 Cdma2000体制是基于IS-95
6、的标准基础上提出的3G标准，目前其标准化工作由3GPP2来完成。 TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出，目前已经融合到了3GPP关于WCDMA-TDD的相关规范中。5. 三种主要技术体制比较5.1、WCDMA技术体制核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术，并向全IP的网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向发展。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。空中接口特性如下：
7、(1) 空中接口：采用WCDMA；(2) 信号带宽：5MHz；(3) 码片速率：3.84Mcps；(4) 语音编码：AMR语音编码；(5) 同步方式：支持同步/异步基站运营模式；(6) 功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式；(7) 发射分集方式：下行包括开环发射分集和闭环发射分集，提高UE的接收性能；开环发射分集又包括空时发射分集STTD（Space Time Transmit Diversity）和时分发射分集TSTD（Time Switched Transmit Diversity）；而闭环发射分集也包括两种模式；发射分集是可选项；(8) 解调方式：导频辅助的相干解调方式，提高解调性能；
8、(9) 编码方式：卷积码和Turbo码的编码方式；(10) 调制方式：上行BPSK和下行QPSK调制方式。5.2、cdma2000技术体制cdma2000体制是基于IS-95的标准基础上提出的3G标准，目前其标准化工作由3GPP2来完成。电路域继承2G IS-95 CDMA网络，引入以WIN为基本架构的业务平台。分组域是基于Mobile IP技术的分组网络。无线接入网以ATM交换机为平台，提供丰富的适配层接口。空中接口特性如下：(1) 空中接口：采用cdma2000，兼容IS-95；(2) 信号带宽：N1.25MHz（N1,3,6,9,12）；(3) 码片速率：N1.2288Mcps；(4)
9、语音编码：8k/13k QCELP或8k EVRC语音编码；(5) 同步方式：基站需要GPS/GLONASS同步方式运行；(6) 功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式；(7) 发射分集方式：下行可以采用正交发射分集OTD（Orthogonal Transmit Diversity）和空时扩展分集STS（Space Time Spreading）提高信道的抗衰落能力，改善了下行信道的信号质量；(8) 解调方式：上行采用导频辅助的相干解调方式，提高了解调性能；(9) 编码方式：采用卷积码和Turbo码的编码方式；(10) 调制方式：上行BPSK和下行QPSK调制方式。5.3、TD-SCDMA技术
10、体制TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出，目前已经融合到了3GPP关于WCDMA-TDD的相关规范中。核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术，并向全IP的网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向发展。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。空中接口采用TD-SCDMA。6. 三种主流标准的比较虽然cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA同属3G的主流技术标准，但是
11、仍然可以将其分为两类：cdma2000、WCDMA并作一类，TD-SCDMA则和前两者分开讨论。之所以可以这样做，是因为在技术上cdma2000和WCDMA是FDD的标准，而TD-SCDMA则是一个TDD标准。6.1、WCDMA与cdma2000 WCDMA和cdma2000都满足IMT-2000提出的全部技术要求，包括支持高比特率多媒体业务、分组数据和IP接入等。这两种系统的无线传输技术均基于DS-CDMA作为多用户接入技术，单就技术来说，WCDMA和cdma2000在技术先进性和发展成熟度上各具优势，但总体来看，WCDMA似乎更胜一筹，以下是WCDMA相对cdma2000的一些优势所在：(
12、1) WCDMA使用的带宽和码片速率(3.84Mcps)是cdma2000 1x演进家族的三倍以上，因而能提供更大的多路径分集、更高的中继增益和更小的信号开销。此外，更高的码片速率也改善了接收机解决多径效应的能力。(2) WCDMA在小区站点同步方面的设计是使用异步基站，而cdma2000基站则通常通过GPS实现同步，这将造成室内和城市小区(采用室内天线)部署的困难。(3)由于支持1xEV-DO的TDM接入系统采用共享时分复用下行链路，它具有固定时隙，因此cdma2000物理层兼容性较差。(4) WCDMA较cdma2000能够更加灵活地处理话音和数据混合业务。(5) WCDMA进行功率控制的
13、频率几乎是cdma2000的两倍，达到每秒1500次(1.5kHz)，因而能保证更好的信号质量，并支持更多的用户。(6) cdma2000的导频信道大约需要下行链路总传输功率的20%，相比之下WCDMA只需要约10%，因而可以节省更多的公用信道的开销。(7)为支持基于GSM的GPRS业务而部署的所有业务(如计费、安全、漫游等)也支持WCDMA业务，而为了完善新的数据/话音网络，cdma2000 1x必须添加额外的网元或进行功能的升级。(8)在混合话音和数据流量方面，WCDMA的系统性能比cdma2000也表现得更加出色。因此，从技术的角度来讲，WCDMA具备一定优势，各家电信企业也因此更加倾向
14、于采用该标准。另外，在传统网络基础和市场推广上，WCDMA占据着更大的优势。由于全球移动系统有85%都在用的GSM系统，而GSM向3G过渡的最佳途径就是历经GPRS演进到WCDMA，所以传统网络上的绝对优势使得cdma2000难以对WCDMA望其项背。6.2、TD-SCDMATD-SCDMA与WCDMA和cdma2000相比，具有如下的特点和优势：(1)频谱利用率高：TD-SCDMA采用TDD方式和CDMA和TDMA的多址技术，在传输中很容易针对不同类型的业务设置上、下行链路转换点，因而可以使总的频谱效率更高。(2)支持多种通信接口：TD-SCDMA同时满足Iub、A、Gb、Iu、IuR多种接
15、口要求，基站子系统既可作为2G和2.5G的GSM基站的扩容，又可作为3G网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和未来长远的发展。(3)频谱灵活性强：TD-SCDMA第三代移动通信系统频谱灵活性强，仅需单一1.6M的频带就可提供速率达2M的3G业务需求，而且非常适合非对称业务的传输。(4)系统性能稳定：TD-SCDMA收发在同一频段上，上行链路和下行链路的无线环境一致性很好，更适合使用新兴的智能天线技术；利用了CDMA和TDMA结合的多址方式，更利于联合检测技术的采用，这些技术都能减少了干扰，提高系统的性能稳定性。(5)与传统系统兼容性好：TD-SCDMA支持现存的覆盖结构，信令协议可以后向兼容
16、，网络不必引入新的呼叫模式，能够实现从现存的通信系统到下一代移动通信系统的平滑过渡。(6)系统设备成本低:TD-SCDMA上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于利用智能天线等新技术，这也可达到降低成本的目的;在无线基站方面，TD-SCDMA的设备成本也比较低。(7)支持与传统系统间的切换功能:TD-SCDMA技术支持多载波直接扩频系统，可以再利用现有的框架设备、小区规划、操作系统、账单系统等，在所有环境下支持对称或不对称的数据速率。三种主要技术体制比较制式WCDMA cdma2000 TD-SCDMA 采用国家欧洲、日本美国、韩国中国继承基础GSM 窄带CDMA GSM 预计试用期日
17、本2001年韩国2000年底同步方式异步同步异步码片速率3.84Mcps N1.2288Mcps 1.28Mcps 信号带宽5MHz N1.25MHz 1.6MHz 空中接口WCDMA cdma2000兼容IS-95 TD-SCDMA 核心网GSM MAP ANSI-41 GSM MAP 截止到2004年10月底，全球共颁发了135张3G许可证，其中包括加拿大的5张PCS 3G许可证。但是由于一些国家已获得许可证的某些公司因种种原因将许可证退还给了政府。所以，实际由公司持有的有效3G许可证只有131张。在这131张3G许可证中，选择WCDMA的有122个运营商，选cdma2000的有3家运营商
18、，另外还有加拿大的5张PCS和澳大利亚的CKW Wirless公司的i-BURST系统。7. 3G商用化网络的情况 截至2004年10月，全球共有156个3G网络商用（EVDO和1X分别计算）。10月欧洲和美洲又有新的商用网络出现。截至2004年10月，全球已有49个WCDMA网络提供商用业务。（注：同一家公司在不同国家推出的商用网络分别计算）。芬兰最大的电信运营商Sonera公司于10月12日正式开通了首个全国性WCDMA网络。 此外，荷兰的KPN继2004年7月推出了基于数据卡的WCDMA业务后，又于10月11日推出了基于手机的大众WCDMA业务。同期，全球12个国家的15个cdma200
19、0 1X EV-DO网络开始商用，其中韩国的运营商对EV-DO发展起了非常重要的推动作用，目前从终端到系统，从芯片到测试仪表，都已经形成了成熟的产业链。尽管EV-DO继续稳步发展，但目前在ITU 2GHz核心频段还没有商用网络。 10月新推出了两个EV-DO商用网络：VIVO于2004年10月27日在巴西柏拉纳州的库里提巴开通了国内首个采用了摩托罗拉设备的EV-DO商用网络。 罗马尼亚的Telemobile也在10月26日开通了EV-DO商用网络。此外，越南的Hanoi Telecom计划于2004年12首先在越南推出EV-DO业务（见表1）。下表是全球EV-DO商用网络情况8. 我国第三代公
20、众移动通信系统频率规划主要工作频段： 频分双工（FDD）方式：19201980MHz21102170MHz；时分双工（TDD）方式：18801920MHz、20102025MHz。补充工作频率： 频分双工（FDD）方式：17551785MHz18501880MHz； 时分双工（TDD）方式：23002400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定。 卫星移动通信系统工作频段：19802010MHz21702200MHz。3G（WCDMA）基本原理1. WCDMA网络演进线路3GPP版本(R99) R99版本 核心网基于GSM 与GSM不同的无线接入 引入了一套新的空中接口标
21、准，运用了新的无线接口技术，即WCDMA技术，引入了适于分组数据传输的协议和机制，数据速率可支持144，384Kbit/s及2Mbit/s3GPP版本（R4） 和R99无线侧基本一样 核心网变化较大：CS域控制和数据分离增加了MGW 支持电路域多媒体消息业务3GPP版本(R5) 3GPP Rel-5将完成对IP多媒体子系统（IMS）的定义，如路由选取以及多媒体会话的主要部分。Rel-5的完成将为转向全IP网络的运营商提供一个开始建设的依据 Rel-5计划的主要特性有：UTRAN中的IP传输、高速下行分组数据业务的接入（HSDPA）、混合ARQIIIII、支持RAB增强功能、对IubIur的无线
22、资源管理的优化、UE定位增强功能、相同域内不同RAN节点与多个核心网节点的连接以及其它原有Rel-5的功能R99、R4、R5关系原则上R99的规范是R4规范集的一个子集，若在R99中增加新的特征，就把它升级到R4。同样R4规范集是R5规范集的子集，若在R4中增加了新的特征就把它升级到R5。按计划R4要在2001年3月完成，R5要在2001年12月完成2. WCDMA的网络单元构成UE（User Equipment）UE是用户终端设备，它主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等。UE包括两部分：ME（the Mobile Equipment）提供应用和服务；USIM（t
23、he UMTS Subscriber Module）提供用户身份识别。UTRAN（UMTS陆地无线接入网）UTRAN分为NodeB（基站）和RNC（无线网络控制器）两部分。NodeB包括无线收发信机和基带处理部件。通过标准的Iub接口与RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理。RNC（Radio Network Controller）RNC是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并和无线资源管理等功能。CN（Core Network，核心网）CN负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。The external networks(外部网络)外部网络可以分为两类：电路交换网络
24、（CS network）：提供电路交换的连接；分组交换网络（PS network）：提供数据包的连接服务。WCDMA系统主要接口如下：1. Cu 接口Cu接口是USIM卡和ME之间的电气接口，Cu接口采用标准接口。2. Uu接口Uu接口是WCDMA的无线接口。UE通过Uu接口接入到UMTS系统的固定网络部分，可以说Uu接口是UMTS系统中最重要的开放接口。3. Iu接口Iu接口是连接UTRAN和CN的接口。类似于GSM系统的A接口和Gb接口。Iu接口是一个开放的标准接口。这也使通过Iu接口相连接的UTRAN与CN可以分别由不同的设备制造商提供。4. Iur接口Iur接口是连接RNC之间的接口。
25、Iur接口是UMTS系统特有的接口，用于对RAN中移动台的移动管理。比如在不同的RNC之间进行软切换时，移动台所有数据都是通过Iur接口从正在工作的RNC传到候选RNC。 Iur是开放的标准接口。5. Iub接口Iub接口是连接Node B与RNC的接口，Iub接口也是一个开放的标准接口。这也使通过Iub接口相连接的RNC与Node B可以分别由不同的设备制造商提供。3. WCDMA关键技术 多用户检测在蜂窝移动码分多址通信中，干扰大致分为三种类型：加性白噪声、多径干扰、多址干扰。当小区同时使用的用户数较多时，多址干扰时最主要的干扰。在CDMA系统中，引入了多用户检测技术，它是引用信息论并通过
26、严格的理论分析后提出的一种新型抗多址技术，而且通过多用户检测既可以抗多址干扰，又可以抵抗远近效应和多径干扰。 多用户检测器的主要优点 是消除或减弱多址干扰的有效手段； 是消除或减弱多径干扰的有效手段； 是消除或减弱远近效应的有效手段； 简化功率控制，降低功率控制精度； 弥补正交扩频码互相关性步理想所带来的消极影响； 改善系统性能，提供系统容量，增大小区覆盖面积。 多用户检测器的主要缺点 大大增加系统设备的复杂度； 增加系统时延，特别是当采用自适应算法并对于扩频码较长的系统更是如此； 多用户检测一般需要知道用户扩频码的主要特征参量，这对于实际的多径时变信道则不是一件容易的事，它需要通过不停的信道
27、估计来实现，而且估值的精度将直接影响多用户检测器的性能。 RAKE接收机 在CDMA扩频系统中，信道带宽远远大于信道平坦衰落带宽。不同于传统的调制技术需要用均衡算法来消除相邻符号间的码间干扰，CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展就可以被看作只是被传信号的再次传送。 由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机通过多个相关检测器接收多径信号的各路信号，并把它们合并在一起。RAKE接收机的理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。 对于多个接收
28、机天线分集接收而言，RAKE接收机既可以接收来自同一天线的多径，也可以接收来自不同天线的多径。可以把使用多个接收天线接收的信号当作从一个单一的天线中收到的多径信号：只要给天线另外加上RAKE指峰，这样就可以接收和利用来自多径和多天线的全部能量。 分集接收 无线信道是随机时变信道，其中的衰落特性会降低系统的性能。为了对抗衰落，可以采用多址措施，如信道编码技术和扩频技术等。分集接收技术是明显有效而且经济的抗衰落技术。 无线信道中接收的信号是到达接收机的多径分量的合成，分集就是指在接收端同时获得几个不同路径的信号，将这些信号适当合并成总的接收信号，就能够大大减少衰落的影响。 互相独立或者基本独立的一
29、些接收信号，一般可以利用不同路径或者不同频率、不同角度、不同极化等接收手段来获取。分集接收方式 空间分集：在接收或者发射端假设几幅天线，各天线的位置间要求有足够的间距（一般在10个信号波长以上），以保证各天线上发射或者获得的信号基本信号独立。 频率分集：用多个不同的载频传送同样的信息，如果各载频的频差间隔比较远，其频差超过信道相关带宽，则各载波传输的信号也相互不相关。 角度分集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集方法。例如，在微波面天线上设置若干各照射器，产生相关性很小的几个波束。 极化分集：分别接收水平和垂直极化波形成的分集方法。 其他的分集方法还有时间分集，是利用不同时间
30、上传播的信号的不相关性进行合并。分集方法相互不是排斥的，实际使用中可以组合。 总的来说，采用分集接收方法对无线信号接收效果的改善非常明显，在我们的设计工作中，有效地利用分集技术可以极大地提高系统抗无线信道衰落的性能。 HDR（High Data Rate） 在现有的几种数字蜂窝系统中，无论对于话音还是数据业务，采用的多是2或4电平的调整方案。对于低速率的话音业务而言，这种调制方式是可以满足要求的。第三代系统将为移动用户提供网络和多媒体业务，因此对于数据量越来越大而对实时性要求较低的数据业务而言，如何充分利用信道资源，尽可能的提高频带效率就成了移动通信系统设计中一个重要的课题。 目前，HDR的研
31、究主要集中在三个方面：一种是基于自适应调制的HDR方案；一种是基于反馈重传（ARQ）的HDR方案；一种是上述两种方案与其他技术的结合，这些技术包括VSF、OFDM、MC0CDMA、MUD等。由于在第三代移动通信系统中，对于多媒体等数据业务的要求越来越高，因此对系统的数据业务传输效率和可靠性都提出了更高的要求。因此，HDR作为数据传输的重要解决方案之一将受到高度的重视。 多载波设计在频率资源允许的情况下，可以通过增加载频提高系统容量。WCDMA支持多载波技术，支持有效的频率间切换，并且两个载波之间可以平衡负载，增大每个站点的容量，这是提高网络容量最有效的方法，并且对网络的影响很小。从现有技术上看，几个载波之间共享一个功率放大器也是可能的。两个载波共享一个功率放大器是功率放大器最有效的使用方法，因为负载可以在两个载波之间进
